聯合收割機撥禾輪轉速自動控制系統設計

崔 勇，翟旭軍，陶德清

(江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

當前在聯合收割機自動控制過程中仍存在故障率高、性能不穩定等缺點，在自動控制過程中無法應對自然環境變化，導致自動控制效率較為低下。聯合收割機相比于一般收割機結構較為復雜，在自動控制時對其智能性及功能性要求較高。基于此，需要簡化控制系統，優化自動控制功能，促進聯合收割機的普及。撥禾輪是聯合收割機重要部分，對撥禾輪的自動控制可降低傳動級數，減少工作過程的功率損耗，提升系統工作穩定性，并可促使系統在工作過程中各個工作順序有效展開。本文在此基礎上對聯合收割機撥禾輪轉速自動控制系統進行設計，便于提升聯合收割機撥禾過程穩定性和實效性。

1 撥禾輪工作原理

1.1 撥禾輪運動數學模型

從運動類型來看，撥禾輪在收割過程中的運動屬于一種復合運動，為對其運動過程進行分析，先建立直角坐標系，設定坐標原點為O0，收割機前進與地面平行方向為X軸，垂直地面方向為Y軸。在此坐標系下撥禾輪外部邊緣位置上的點在系統啟動后便沿逆時針方向運轉。其工作過程如圖1所示。

圖1 撥禾輪工作過程Fig.1 The working process of the reel

結合圖1撥禾輪工作過程便可建立撥禾輪工作過程數學模型方程，模型表示為

式中R—撥禾輪半徑；

ω—撥禾輪運動過程角速度；

Vm—聯合收割機運動前進速度；

t—撥禾輪在水平方向運轉的時間；

H—撥禾輪在聯合收割機安裝高度；

h—農作物割茬高度；

L—農作物平均高度。

在以上數學模型基礎上，在進行農作物收割過程中，為減少農作物與撥扳的碰撞，在撥禾輪工作過程中設定其進入禾叢時在水平方向的分速度為0。在此基礎上得出下式，即

Vx=0

進行撥禾輪位置調整需要遵循以上過程，且在運動過程中需要促進撥板在運動過程中呈垂直狀態時作用在農作物的點應稍高于農作物重心高度，以此消除收割過程中可能出現的撥禾板無法撥帶農作物的情況。

1.2 撥禾輪轉速數學模型

撥禾輪在運動過程中可結合其作業速度及速度比值λ(一般取值在1.5～1.6區間)，在此基礎上可確定其線速度為

式中n—撥禾輪工作轉速；

Vb—撥禾輪運動角速度。

在進行λ取值時可結合撥禾輪板數、工作速度、農作物成熟條件來確定。若在設計中采用6板撥禾輪作為設計樣板，則其實際取值可低于1.5～1.6區間；若采用4板撥禾輪作為設計樣板，則其實際取值可稍高于1.5～1.6區間。實際作業過程中，當作業速度有所提升時便可利用慣性作用降低農作物谷粒的掉落率，因此在實際設計中選取λ值的主要影響因素為收割機實際作業速度。

1.3 撥禾輪功率確定

撥禾輪功率是聯合收割機總功率重要組成部分，其計算公式可表示為

式中P—撥禾輪工作過程中邊緣切向阻力；

B—撥禾輪設計寬度；

Vb—撥禾輪運動角速度。

電動機是撥禾輪的動力提供裝置，在選擇撥禾輪過程中需要結合撥禾輪的機械特性等因素選擇電動機的相關參數和類型。聯合收割機在實際工作過程中一般采用三相交流電，因此若對聯合收割機無特殊要求則采用交流電動機。采用交流電動機具有穩定的結構，使用壽命較長，性價比高，實際設計中一般選用鼠籠式交流電動機。聯合收割機工作環境較為復雜，經常需面對大量粉塵，因此電動機需要具備一定密封性，則在此基礎上選擇Y系列電動機。結合實際經驗確定撥禾輪功率分布在0.182～0.33kW之間，因此選擇功率為0.55kW的Y系列電動機。

2 撥禾輪自動控制系統設計

2.1 交流變頻電源

設定撥禾輪的輸出頻率在1～5Hz之間，采用三相380V的輸出電壓，并通過87C196KC16單片機作為控制系統。撥禾輪屬于聯合收割機的輔助構件，因此對其快速響應速度無特殊要求，設定其響應時間為0.5s。在實際工作中轉子會出現發熱情況導致其共組環境溫度升高，因此要求電源裝置可在50℃的環境下仍舊保持其工作性能。在此基礎上設計的交流電源主回路拓撲結構如圖2所示。

圖2 電源主回路拓撲結構Fig.2 Topology of the main circuit of the power supply

本系統中采用的是輸出頻率位于1～5Hz的低頻率交流電源，并采用3脈沖零式電路結構，以此提高其性價比，且該電源的輸出包括2個半橋及6只晶閘管組成，圖3所示為R輸出相。

圖3 R輸出相Fig.3 R output phase

圖3中的R輸出相包含2個半橋及6個晶閘管，兩個板橋分別為正組(M1-M3)、反組(M4-M6)。在系統工作過程中，若輸出電壓為正半軸且正組為整流狀態，此時負組正好相反，作用是防止兩組整流橋出現短路情況；反之，輸出電壓為負半軸且負組為整流狀態，此時正組正好相反，作用是防止兩組整流橋出現短路情況。

電路中的支流變頻器主要作用是幫助系統實現實施變頻作用，即在進行電流控制過程中通過變頻端輸出端可獲得多個低頻交流電壓。在本系統中的三相零式可控電路如圖4所示。

圖4 三相零式可控電路Fig.4 Three phase zero control circuit

2.2 觸發脈沖的控制方法

撥禾輪的交流變頻控制方法較多，針對聯合收割機的實際工作情況選擇余弦交截法，該種控制方法可通過既定參考電壓uR，結合電源傳出的信號余弦波ur二者交點進行晶閘管的導通電確定過程。

A-N、B-N、C-N分別為聯合收割機中的交流器相電壓波形，UT1、UT2、UT3分別表示余弦波，這些余弦波的相位可促進波形峰值與晶閘管觸發角α為0時的位置相對應。在此基礎上可通過比較器判斷其狀態，當uR-uR大于0其輸出值為“1”，反之輸出為0。當輸出器脈沖在由“0”向“1”轉變過程中會瞬間產生脈沖。

余弦交截法脈沖發生器波形的3個通道即具備一定獨立性，可互相聯系起來形成一個新的通道，在實際工作中主要通過環形分配器對其脈沖進行有效分配，并可求得器近似解，即

πn-θ0—調制波n經過零點；

θ0—0時刻的相位角；

Dir=+1—調制波為正；

Dir=-1—調制波為負；

Sig=+1—基準波為正；

Sig=-1—基準波為負；

可通過匯編語言進行其出發時刻確定，系統實際工作過程中主要通過輸出脈沖至相應晶閘管，并可通過高級語言計算觸發控制角，并在此基礎上得出不同等級的觸發順序。

2.3 信號發射電路設計

圖5為一種可在工作中產生正弦信號的一種線路結構。由于本文研究的電路電壓已經確定，因此通過電壓—頻率變換得出的頻率與電壓確定的三角波信號，并通過正余弦轉換實現相位角差為120°的信號轉換。正弦信號的振幅大小通過輸出電壓給定信號進行控制，其最后輸出信號作為一種給電信號，采用變頻輸出方式為電動機提供功率。

圖5 正弦信號發生器Fig.5 Sine signal generator

2.4 單片機系統設計

本設計采用的是一種名為87C196KC的單片機，特點為：系統總線十分靈活，可對其進行動態設置，一般可將其設置為8位或16位總線，在此基礎上有效降低編程難度。該單片機對外部系統要求極為簡單，其自身所攜帶的16K EPROM可有效降低系統工作過程的繁雜工作，促進編程工作更加靈活多變；87C196KC單片機在工作中速度極快，并可為系統計算機提供其工作所需功率，且該單片機采用EPA及PTS技術，有效提升系統工作能力。

本設計中的87CI96KC單片機預期目標主要是進行相應數據采集及模數轉換，并對系統誤差信號進行PI計算，在此基礎上對晶閘管觸發相位進行調整，以此實現對輸出電壓的有效控制。同時，可通過該單片機生成脈沖并將其進行有效分配，實現數字觸發器的所有功能。

2.5 自動控制系統組成

本設計中的撥禾輪輪速控制系統主要通過三相交流電作為電源提供基礎，結合87CI96KC單片機組成核心控制系統，如圖6所示。本系統的電路結構為三脈沖零式電路，并可結合功能性將整個系統分為功率主回路以及控制電路兩個組成部分。其中，功率主回路部分主要形式為調頻調壓變換方式，實際控制過程中采用控制回路提供的信號實現電路的開關，并在此過程中產生需要的輸出電壓。

圖6 撥禾輪雙閉環控制系統Fig.6 Double closed loop control system

2.6 單片機控制系統

本設計采用87CI96KC單片機作為控制核心部件，其主原理框圖如圖7所示。

圖7 87CI96KC單片機控制系統結構原理圖Fig.7 87CI96KC MCU control system structure diagram

從87CI96KC單片機控制系統來看：該系統屬于綜合性系統，包含多個子系統，該電路由復位、放大電路、脈沖及電源提供系統等部分組成。在其輸入電路中具有專用于限流的電阻電容，且還可在電路過程中實現濾波功能，在電路出現過載的過程中對電路進行有效保護。 系統實際工作過程中當內部阻值較大時則

需要降低A/D的轉換精度，并且有效降低電容誤差。

系統中核心部件為87CI96KC單片機,該單片機可為整個控制系統提供信息收集、數字調節、自動控制及數字觸發等功能。單片機的三極管會將脈沖進行放大處理，之后將其傳送至單穩電路進行整形處理，配合RC電路拓寬脈沖，至少將其拓寬50%以上后進行功率放大后將其顯示出來。經過拓寬處理后脈沖電流仍舊較小，因此無法有效觸發晶閘管，基于此需通過三極管對其進行放大處理，使之達到觸發需求。觸發電路如圖8所示。

圖8 觸發電路Fig.8 Trigger circuit

系統的隔離電路主要作用是避免高壓對電路造成的影響，結合脈沖變壓器對其進行隔離處理，并通過LED將脈沖顯示出來，且可對電路進行穩壓處理。隔離電路如圖9所示。

圖9 隔離電路Fig.9 Isolation circuit

在進行電路移相控制通過單片機控制過程中，需結合單片機中的晶閘管控制起始點防波信號，促進所有脈沖信號在每個周期中均出現，需要保證方波信號與電源頻率相同，稱其為同步信號。本設計同步電路如圖10所示。

圖10 同步電路Fig.10 Synchronization circuit

3 結論

針對聯合收割機撥禾輪實際工作情況設計了自動控制系統，實現了對撥禾輪輪速的有效控制。從運動類型來看，撥禾輪在收割過程中的運動屬于一種復合運動，在選擇撥禾輪過程中需要結合撥禾輪的機械特性等因素選擇電動機的相關參數和類型。聯合收割機工作過程中，一般采用三相交流電，結合實際經驗確定撥禾輪功率分布在0.182～0.33kW之間，因此選

擇功率為0.55kW的Y系列電動機。本設計中的撥禾輪輪速控制系統主要通過三相交流電作為電源提供基礎，結合87CI96KC單片機組成核心控制系統，并設置穩壓電路、同步電路、放大電路等組成部分，實現了對撥禾輪轉速的有效控制。

[1] 師永平, 朱元武, 武云鵬,等.基于安排過渡過程的高轉速伺服控制系統設計[J].火力與指揮控制, 2014(S1):163-165.

[2] 吳海東, 周洪如, 李洪昌.半喂入式聯合收割機脫粒深淺控制系統設計[J].微特電機, 2014, 42(7):66-68.

[3] 陳進, 季園園, 李耀明.基于PLC和觸摸屏的聯合收割機監控系統設計[J].儀表技術與傳感器, 2014(7):78-81.

[4] 胡燦, 吳明清, 陳曉川.基于 PLC 技術的軋花自動控制系統的設計與研究[J].農機化研究, 2015，37(5):167-172.

[5] 陸體文, 李波, 周超超,等.新型齒輪—凸輪組合式撥禾輪[J].機械傳動, 2015(10):133-136.

[6] 冀牧野, 廖慶喜, 李海同,等.油菜聯合收獲機梳脫式割臺設計[J].華中農業大學學報, 2016(5):117-124.